便攜式多功能花生播種裝置仿真分析及優化

粟振燦 趙祈頎 郭志中

廣西農業職業技術大學，廣西 南寧 530007

0 引言

廣西壯族自治區（以下簡稱廣西）總體是山地丘陵性盆地地貌，區內多數花生種植田形狀不規則且面積較小，因此，當地農戶無法借鑒平原地區花生高產區域的智能化、機械化種植方法。基于此，為降低人工成本、提高生產效率，研究適用于丘陵地區的便攜式多功能花生播種裝置。

1 便攜式多功能花生播種裝置總體構造及工作原理

1.1 便攜式多功能花生播種裝置構造

便攜式多功能花生播種裝置主要由主體部分、操縱部分、傳動部分、原料供給部分等組成，其三維模型簡圖、結構示意圖、操縱部分主要受力部件（腳踏總成）示意圖分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 便攜式多功能花生播種裝置三維模型簡圖

圖2 便攜式多功能花生播種裝置結構示意圖

圖3 腳踏總成示意圖

主體部分是整個便攜式多功能花生播種裝置的裝配基體，主要由豎桿、橫桿、扶手及連接桿組成。操縱部分用來控制傳動部分的運動，實現裝置的開溝、播種、施肥、覆土及其他輔助功能，包括踏板總成和手控總成兩部分。傳動部分主要實現動力的傳遞，主要包括連接桿、滾輪固定支架、滾輪及滾輪軸、撐桿、覆土爪、回位彈簧等零部件。原料供給部分主要用來儲存和輸送種子和肥料，包括儲料罐、供料軟管、控制按鈕、出料封口等。整個裝置的金屬部分制造材料為Q235號鋼材，其中主體部分和踏板總成基體件均為30 mm×30 mm×2 mm 鋼材，各金屬件之間根據實際工作情況采用焊接、鉚接、銷連接等方式連接。

1.2 便攜式多功能花生播種裝置工作原理

便攜式多功能花生播種裝置不僅攜帶方便，而且能一次完成開溝、播種、施肥、覆土等田間作業。它的主要工作原理如下。

1.2.1 開溝過程。將裝置豎直放置在田間合適位置，雙手扶好裝置扶手，右腳向下施力，將腳踏總成踩入泥土，完成開溝作業；松開右腳，在回位彈簧的作用下，腳踏總成回歸原位，完成復位。

1.2.2 播種過程。腳踏總成插入田間，完成開溝作業后，按下控制按鈕并撥動撥片，儲料罐中的種子沿著供料管道下落并通過打開的導槽封口直接落入土中，完成播種作業。

1.2.3 施肥過程。施肥作業的操作過程與播種作業基本一致。播種作業完成后，用手撥動安裝于裝置主體上的肥料放料罐開關，即完成施肥作業。

1.2.4 覆土過程。施肥作業完成后，松開右腳，腳踏總成復位，然后向前拖動裝置，覆土爪沿直線方向將田溝旁的泥土刮平并覆蓋在已完成播種和施肥作業的田溝上，即完成覆土作業。

2 便攜式多功能花生播種裝置的有限元靜力學分析

2.1 材料屬性定義

考慮裝置的制造成本及其在使用過程中的工作可靠性，整個裝置金屬部分的結構件主要采用Q235號鋼材制作。Q235號鋼材的特性參數如表1所示。

表1 Q235號鋼材特性參數

2.2 模型預處理

為便于分析，用Workbench Spaceclaim 對模型進行簡化處理，即將部分細小零件進行整理合并成具有特定功能的部件，如圖4所示。

圖4 模型簡圖

用Model 模塊打開處理好的模型并建立接觸，利用Joints 和Contacts 功能將各部分部件建立如圖5 所示關系。

2.3 網格劃分

通過Mesh 模塊，設定整體網格單元尺寸3.0 mm。同時，為確保計算準確，細化接觸部分的網格單元尺寸，設定腳踏總成部分的網格單元尺寸為0.5 mm，如圖6所示。

圖6 網格劃分圖

2.4 施加載荷及約束

對滾輪和扶手等部分進行約束，并對腳踏總成部分加載500 N的集中力，如圖7所示。

圖7 載荷與約束圖

2.5 結構分析與優化

2.5.1 數據分析。經ANSYS Workbench 分析計算，提取計算結果，等效應力云圖如圖8 所示。便攜式多功能花生播種裝置的最大等效應力在腳踩結構部分，為99.5 MPa；主體部分復位彈簧連接處應力也較大，其他部分應力很小。

圖8 結構優化前的等效應力云圖

2.5.2 輕量化研究。由計算結果可知，該結構有很大的優化空間，尤其是主體支撐部分。通過系統查看，輕量化前該裝置整體結構的質量為0.016 443 t。基于此，筆者將主體支撐結構壁厚從1.0 mm優化到0.5 mm，重新生成模型，提取結果，優化后的整體模型質量降至0.015 015 （t見圖9）。同時，對優化后的模型進行結構分析，其最大等效應力增加至157.3 MPa（見圖10），較優化前有所提升。

圖9 輕量化分析圖

圖10 結構優化后的等效應力云圖

3 功能測試與對比分析

經仿真分析后，對裝置的主體部分進行重新制作并組裝，并將其送至廣西農業職業技術大學農學八桂田園實訓種植基地進行功能測試與對比分析。測試場地土壤情況與廣西丘陵地區花生種植地基本相同。

3.1 便攜功能測試

該裝置裝有滾輪。根據作業需要，該裝置可在田間便利移動，且閑置時無須外力扶持、不會傾倒。測試結果表明，主體部分的輕量化提高了裝置的便攜性。

3.2 開溝功能測試

向下踩動踩片，使凸輪下壓活葉，帶動封板同時向下運動，直至封閉斜面空間；繼續施力向下踩動踩片，腳踏總成沿著主體的導軌繼續向下直到插入土中，即完成開溝工序（見圖11）［1］。測試結果表明，開溝工序主要與腳踏總成的運動情況和受力情況有關，因此主體部分的輕量化對開溝功能影響不大。

圖11 開溝測試

3.3 播種和施肥功能測試

按下開關，撥動撥片，存放在儲料罐內的種子與肥料順著軟管掉入導槽；同時松開踏板，在回位彈簧的作用下，封板復位，導槽出口打開，種子與肥料掉入田間對應的位置，完成播種和施肥工序［2］。再次檢查花生播種與肥料施入情況，兩者均落入土中約5 cm深，且間隔為10 cm 左右，滿足播種要求。測試結果表明，主體部分的輕量化對此兩項功能影響不大。這主要是因為播種和施肥功能主要由操縱部分實現，而在此次優化中操縱部分同主體部分間的裝配關系沒有變化。

3.4 覆土作業測試

拖動整個裝置沿著種植方向移動，覆土爪沿直線將田溝旁的泥土刮平并覆蓋在已完成播種和施肥作業的田溝上，完成覆土工序，如圖12 所示。測試結果表明，主體部分的輕量化不影響覆土功能的實現，且可減輕操作者的勞動強度，提高工作效率。

圖12 覆土測試

綜上所述，對裝置的主體部分進行輕量化處理，不僅對其開溝、施肥、播種、覆土功能不會產生影響，而且能減小裝置的整體質量，便于對裝置進行搬運［3］，提高了裝置田間作業的便攜性和工作效率［4］，具有一定的優化效果。

4 結論

基于廣西丘陵地區生產實際，利用ANSYS 軟件對便攜式多功能花生播種裝置的結構進行優化，并進行田間試驗［5］。結果表明，減輕便攜式多功能花生播種裝置的主體質量，可以提高該裝置田間作業的便攜性和工作效率，同時裝置的最大等效應力由99.5 MPa增加至157.3MPa，提高了裝置工作的可靠性。